一种高压大容量储能变流器的拓扑结构及控制方法
【专利摘要】本发明提供一种高压大容量储能变流器的拓扑结构，其包括采用各相电路并联连接的模块化级联结构，每一相由对称设置的上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂由子模块串、电感和电阻串联而成，所述下桥臂由电阻、电感和子模块串串联而成；其控制方法包括控制DC/DC变流器对超级电容进行充放电，平滑交流侧输入输出电流，以稳定直流侧母线电压。本发明提供的技术方案适用于直流配电网，大大提高了运行效率，降低了设备成本。
【专利说明】
一种高压大容量储能变流器的拓扑结构及控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种直流配电网和储能控制方法，具体讲涉及一种高压大容量储能变流器的拓扑结构和控制方法。
【背景技术】
[0002]20世纪70年代世界范围能源危机的爆发后，环境污染和能源短缺等问题逐渐受到世界各国的普遍关注，与此同时，分布式能源系统因其负荷变动灵活、供电可靠、输电损失小以及便于应用可再生能源等特点，倍受青睐。
[0003]分布式电源的应用使单纯供电功能的传统的配电，扩展出了发电功能。常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机和燃气轮机等，这些电源产生的电能均为直流电或经过简单整流后变为直流电，分布式电源并入直流配电网可以节省大量的换流环节。诸如:光伏发电等产生的直流电，通常需经过DC-DC和DC-AC两级变换才能并入传统的交流配电网;风力机等以交流形式产生电能，通常并不稳定，需要经过交流-直流和直流-交流两级变换才能并入交流配电网；如果将分布式电源接入直流配电网，则可以省略上述的直流-交流变换环节，从而减小成本、降低损耗。
[0004]近几年，电力电子技术的快速发展改变了用户的用电方式，例如电力电子变频技术在空调、冰箱、洗衣机等产品中的广泛应用，改变了交流配电网中经过AC-DC-AC转换才能达到变频的方式;对于直流配电网，则只需进行DC-AC转换即可，从而省略了AC-DC环节，降低了变换器损耗。
[0005]很多电气设备目前一般采用直流电驱动，例如LED照明灯、电动车、个人电脑、手机等，在交流配电网中，必须通过AC-DC转换才能供给电器使用;对于直流配电网，不需要转换就可以直接给这些设备供电，节约了成本，也降低了损耗。
[0006]对于敏感负荷供电，一般由储能电池保证不间断供电，但在交流系统中，则需要经过AC-DC-AC转换来提供高质量电能;在直流系统中，只需要DC-AC转换即可。在直流系统中，储能电池可以直接或者经过DC-DC单级转换后接入直流母线上，降低损耗。
[0007]随着电力电子技术的发展和分布式发电以及储能技术的日益成熟，亟待提供一种适用于直流配电网的高压大容量储能变流器，来提高直流配电网的电压稳定性，减少分布式电源和冲击性负荷对交流电网的影响。
[0008]为满足现有技术的需要，本发明提供了一种适用于直流配电网的高压大容量储能变流器，以提高直流配电的电压稳定性。
【发明内容】
[0009]为满足未来技术发展对直流配电网电压稳定性的要求，减少分布式电源和冲击性负荷对交流电网的影响，本发明提供一种适用于直流配电网的高压大容量储能变流器。
[0010]本发明提供的高压大容量储能变流器的拓扑结构，其改进之处在于，所述拓扑结构采用各相电路并联连接的模块化级联结构；[0011 ]所述拓扑结构采用各相电路并联连接的模块化级联结构；
[0012]所述拓扑结构中每一相分别对称设置上桥臂和下桥臂；
[0013]所述上桥臂由子模块串、电感和电阻串联而成；
[0014]所述下桥臂由电阻、电感和子模块串串联而成；
[0015]所述上桥臂和所述下桥臂的连接点为对应相的输入端。
[0016]本发明提供的第一优选技术方案中，所述子模块串中的子模块为相同的子模块；
[0017]所述子模块包括半桥子模块、直流变换器和超级电容。
[0018]本发明提供的第二种优选技术方案，所述子模块(SM)中开关管SI的源极与开关管S2的漏极连接，开关管SI的源极与输入端一端连接;开关管S2的源极连接电容C的一端和开关管S3的源极;开关管S3的漏极连接开关管S4的源极和电感L的一端，电感L的另一端连接超级电容SC的一端;开关管SI的漏极连接输入端另一端、电容C的另一端、开关管S4的漏极和超级电容SC的另一端
[0019]—种高压大容量储能变流器的控制方法，所述控制方法包括:
[0020]步骤(I)控制超级电容的充放电；
[0021]步骤(2)平滑交流侧输入输出电流；
[0022]步骤(3)控制直流母线电压。
[0023]进一步的，所述步骤(I)中，用电压、电流双闭环的PI控制，实现双向DC/DC变流器主电路中IGBT的开关状态的控制；
[0024]所述双向DC/DC变流器中的IGBT控制超级电容的充放电；
[0025]进一步的，所述双向DC/DC变流器主电路中IGBT开关的控制方法包括:
[0026]I)求子模块电容的电压反馈信号Uci与给定电压值Udref间的差值；
[0027]2)经过PI控制环节生成内环的给定电流信号Idref;
[0028]3)将所述给定电流信号Idref与电感电流的反馈值IdI比较，生成PffM控制信号，控制IGBT的开关。
[0029]进一步的，所述步骤(2)中，根据中频区的功率，控制储能电池的输出功率以平滑交流侧输入输出的电流，；
[0030]进一步的，控制储能电池输出功率的方法为:
[0031 ] (I)风电功率的波动分解:用离散傅里叶变换分解风电功率；
[0032](II)输出功率为Pm—rrf的波动分量的获得:用一阶低通滤波法提取中频段功率波动分量；
[0033 ] (I II)储能电池的输出功率:从实际风电/光伏发电的输出功率中减去经过一阶低通滤波后的输出功率Pmrrf。
[0034]进一步的，步骤(I)中，风电功率包括:
[0035 ]低频区:0.0I Hz及以下的，其分量可由电力系统自动发电控制响应；
[0036]中频区:0.0lHz-1Hz的；
[0037]高频区:IHz及以上的，其分量可被风力发电机转子的惯量吸收。
[0038]进一步的，所述步骤(3)中，直流端电压的稳定性的控制步骤包括:
[0039]1、通过控制所述储能变流器的每个桥臂上子模块的开关状态，改变子模块串中子模块的数量；
[0040]i 1、控制每一相电路的上桥臂和下桥臂的状态，以控制交流端的输出电压，保持直流母线电压的稳定性。
[0041]与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果:
[0042](I)本发明提供的技术方案适用于直流配电网可以解决交直流配电网之间的能量转换，大大提高转换效率，降低功能损耗；
[0043](2)本发明提供的技术方案的拓扑结构采用模块化级联方式，解决了大容量储能变流器的一体化结构设计，提高储能变流器的运行效率，降低装备成本；
[0044](3)本发明提供的技术方案采用直流变换器，提高功率性储能的利用率，解决分布式电源和冲击性负荷对电网的冲击，提供电网的暂态支撑。
【附图说明】
[0045]图1为本发明提供的储能变流器的拓扑结构示意图；
[0046]图2为本发明提供的储能变流器拓扑结构中的子模块结构示意图；
[0047]图3为本发明提供的储能变流器控制方法中的双向DC/DC控制框图；
[0048]图4为本发明提供的储能变流器控制方法中的风电/光伏平滑功率波动控制框图；
[0049]图5为本发明提供的储能变流器上下桥臂的电压波形图。
【具体实施方式】
[0050]为清楚的说明本发明提供的技术方案，以下将结合【附图说明】和具体实施例做详细阐述。
[0051 ]本发明中的高压大容量储能变流器系统，主要控制目标为直流母线电压，与传统两电平储能变流器相比，模块化级联结构(MMC)的高压大容量储能变流器使用子模块电容作为能量储存元件，分布式电源接入直流母线后，稳态运行时，平均电容电压需要被控制；暂态运行时，通过控制DC/DC，对超级电容进行充放电，平滑交流侧输入和输出电流，稳定直流侧母线电压。
[0052 ]对本发明提供的拓扑结构以三相MMC拓扑结构为例进行说明，三相MMC拓扑结构图说明书附图1所示，每一相由上桥臂和下桥臂组成，每一个桥臂由电抗器和子模块串联构成，所述电抗器包括串联的电感和电阻；上桥臂从上至下为子模块串、电感和电阻串联，下桥臂和上桥臂对称设置;上桥臂和下桥臂的连接端为每一相桥臂的输入端。桥臂电抗器用于抑制交流侧的电压波动和桥臂间的环流，每个桥臂上有4个相同的子模块(SM)串联在一起构成，根据电压等级的要求可以通过不同开关状态相应的选取子模块数。子模块(SM)的结构如图2所示，由半桥子模块I和直流变换器(DC/DC) 2，直接挂接超级电容器(SC) 3组合构成。
[0053]子模块(SM)中开关管SI的源极与开关管S2的漏极连接，开关管SI的源极与输入端一端连接;开关管S2的源极连接电容C的一端和开关管S3的源极;开关管S3的漏极连接开关管S4的源极和电感L的一端，电感L的另一端连接超级电容SC的一端;开关管SI的漏极连接输入端另一端、电容C的另一端、开关管S4的漏极和超级电容SC的另一端。
[0054]优先串联电压偏移较为严重的模块，可以很大程度消除电压偏移。由于模块也具备以半桥模式工作的能力，传统的控制调制方式依然可以使用，因此，可以根据工况调整控制方式，具有很大的灵活性。
[0055]MMC的每个桥臂是多个电容的串联，控制每个子模块的开关就可改变串联的数量，桥臂电压会随串联电容数量的改变而改变。
[0056]针对上述的高压大电容储能变流器的拓扑结构，在暂态运行时，稳定直流侧母线电压的具体控制方法为:
[0057]第一步，对超级电容进行充放电。
[0058]高压大容量储能变流器的MMC模块中的超级电容控制采用双向DC/DC控制，从而稳定风电或者光伏在输出功率暂态变化过程中子模块的电压突变，达到平滑大容量储能变流器的电流输入输出的目的。DC/DC变换器变换过程中，采用电压、电流双闭环的PI控制，其控制框图如图3所示，采用模块电容的电压反馈信号Uo与电压给定值Udref进行比较;其差值经过PI控制环节生成内环(电流环)的给定电流信号I dref ；给定电流信号I dref再与电感电流的反馈值Idl比较，最终生成PffM控制信号，进而控軸)C/DC变换器主电路中IGBT的开关状态，来控制超级电容的充放电，实现子模块中的电容稳压功能。
[0059]第二步，平滑交流侧输入输出电流。
[0060]新能源接入直流母线电压后，一般都以最大功率跟踪方式进行控制，以电流源控制方式为主。以风电为例，风电功率波动是由风速的随机变化引起的，其广泛分布在频域的各个频段中，不同频率的功率波动在并网后对电力系统的影响程度也不相同，分析风电功率波动的频率特性，得出对电力系统影响较为严重的功率频段，进而确定储能系统需要平抑的控制目标。
[0061 ] (I)利用离散傅里叶变换(DFT)可以将风电功率波动分解为不同频率范围的波动，按变化的频率范围可分为三部分:低频区(0.0lHz及以下)、高频区(IHz及以上)和中频区(0.0lHz?IHz)。对于风电功率中的高频区的分量可以被风力发电机转子的惯量吸收;风电功率的中频分量由于功率变化较大，短时间内会对电网造成严重冲击，给电力系统安全运行带来隐患;低频分量，由于其波动比较缓慢，功率变化率较小，注入电网时，电力系统自动发电控制(AGC)可以进行一定程度的响应。
[0062](2)采用一阶低通滤波法，有效提取中频段功率波动分量，控制框图如图4所示。
[0063]用一阶低通滤波法提取中频段功率波动分量，得到输出功率为Pwt—re3f的波动分量；
[0064](3)实际风电/光伏发电的输出功率与经过一阶低通滤波后的输出功率Pg r e f相减，得到储能电池的输出功率。通过控制储能电池的输出功率，可以达到平滑交流侧输入输出电流的目的。
[0065]第三步，控制直流母线电压。
[0066]MMC的工作原理是用不同开关状态的子模块组合成交流电压。由于子模块上的电容可看作一个电压源，通过调节导通的子模块的数量，可以调节输出端的电平数，从而形成一个以正弦波为参考的阶梯波形，如图5所示，MMC的每个桥臂是多个电容的串联，控制每个子模块的开关就可改变串联的数量，由于电容电压的存在，桥臂电压也就随串联电容的改变而改变。每相上下桥臂的控制相互配合，从而控制交流端的输出，并保持直流端的稳定。
[0067]对高压大容量储能变流器的控制通过控制通过控制DC/DC，对超级电容进行充放电，平滑交流侧输入和输出电流，稳定直流侧母线电压，提高直流配电网的电压稳定性，减少分布式电源和冲击负荷对交流电网的影响，降低功能损耗。
[0068]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种高压大容量储能变流器的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构采用各相电路并联连接的模块化级联结构； 所述拓扑结构中每一相分别对称设置上桥臂和下桥臂； 所述上桥臂由子模块串、电感和电阻串联而成； 所述下桥臂由电阻、电感和子模块串串联而成； 所述上桥臂和所述下桥臂的连接点为对应相的输入端。2.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于， 所述子模块串中的子模块为相同的子模块； 所述子模块包括半桥子模块、直流变换器和超级电容。3.如权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，子模块中开关管SI的源极与开关管S2的漏极连接，开关管SI的源极与输入端一端连接;开关管S2的源极连接电容C的一端和开关管S3的源极;开关管S3的漏极连接开关管S4的源极和电感L的一端，电感L的另一端连接超级电容SC的一端;开关管SI的漏极连接输入端另一端、电容C的另一端、开关管S4的漏极和超级电容SC的另一端。4.一种高压大容量储能变流器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括: 步骤(I)控制超级电容的充放电； 步骤(2)平滑交流侧输入输出电流； 步骤(3)控制直流母线电压。5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(I)中，用电压、电流双闭环的PI控制，实现双向DC/DC变流器主电路中IGBT的开关状态的控制； 所述双向DC/DC变流器中的IGBT控制超级电容的充放电。6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述双向DC/DC变流器主电路中IGBT开关的控制方法包括: .1)求子模块电容的电压反馈信号Uo与给定电压值Udre3f间的差值； .2)经过PI控制环节生成内环的给定电流信号Idrrf ； .3)将所述给定电流信号Idrrf与电感电流的反馈值IdI比较，生成P丽控制信号，控制IGBT的开关。7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据中频区的功率，控制储能电池的输出功率以平滑交流侧输入输出的电流。8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，控制储能电池输出功率的方法为: (I)风电功率的波动分解:用离散傅里叶变换分解风电功率； (II)输出功率为Pmre3f的波动分量的获得:用一阶低通滤波法提取中频段功率波动分量； (I II)储能电池的输出功率:从实际风电/光伏发电的输出功率中减去经过一阶低通滤波后的输出功率FWiLref。9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤(I)中，风电功率包括: 低频区:0.0IHz及以下的，其分量可由电力系统自动发电控制响应； 中频区:0.0lHz-1Hz的； 高频区:IHz及以上的，其分量可被风力发电机转子的惯量吸收。10.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，直流端电压的稳定性的控制步骤包括: .1、通过控制所述储能变流器的每个桥臂上子模块的开关状态，改变子模块串中子模块的数量； .11、控制每一相电路的上桥臂和下桥臂的状态，以控制交流端的输出电压，保持直流母线电压的稳定性。
【文档编号】H02M3/07GK105897018SQ201610326733
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】陶以彬, 李官军, 冯鑫振, 胡金杭, 袁晓东, 桑丙玉, 杨波, 许晓慧, 李强, 陈兵, 周晨, 刘欢, 曹远志, 崔红芬, 叶季蕾, 庄俊, 鄢盛驰, 吕振华, 柳丹, 周细文, 华光辉
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网江苏省电力公司电力科学研究院, 国网江苏省电力公司